第三章_海底管道

1、第三章 海底管道 通過(guò)海底油氣管道，把海上油氣田的整個(gè)油氣集輸與儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，也使海上油氣田與整個(gè)石油工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)。 陸上油氣管線在穿越江河處，也常采用水下敷設(shè)的方式。 相對(duì)于陸地管道，海底管道往往處于極端的工作條件。 海底管道的設(shè)計(jì)與陸地管道有很大的不同。內(nèi)容 海底管道工程的特點(diǎn) 海洋平臺(tái)、鋪管船及鋪管方式 載荷條件 海底管道的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范 海底管道的結(jié)構(gòu)形式 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的難題 海底管道工程的特點(diǎn) 施工投資大：鋪管船、開溝船和10余只輔助作業(yè)的拖船組成的龐大的專業(yè)船隊(duì)等 施工質(zhì)量要求高：維修困難 施工環(huán)境多變：海況變化劇烈、迅速 施工組織復(fù)雜：管道的預(yù)制，船隊(duì)的配件、燃料和淡水的供

2、應(yīng)等（海陸聯(lián)合組織） 淺海開發(fā) 導(dǎo)管架式平臺(tái)導(dǎo)管架式平臺(tái)平臺(tái)設(shè)于導(dǎo)管架的頂部，整體結(jié)平臺(tái)設(shè)于導(dǎo)管架的頂部，整體結(jié)構(gòu)剛性大，適用于各種土質(zhì)，但構(gòu)剛性大，適用于各種土質(zhì)，但其尺度、重量隨水深增加而急劇其尺度、重量隨水深增加而急劇增加，在深水中的經(jīng)濟(jì)性較差。增加，在深水中的經(jīng)濟(jì)性較差。典型深海海底油氣開采FPSO（Floating Production shortage and Offloading）浮式生產(chǎn)、儲(chǔ)油、卸油船浮式生產(chǎn)、儲(chǔ)油、卸油船 機(jī)動(dòng)性和運(yùn)移性好，具有機(jī)動(dòng)性和運(yùn)移性好，具有適應(yīng)深水采油的能力，在深水適應(yīng)深水采油的能力，在深水域中較大的抗風(fēng)浪能力、大產(chǎn)域中較大的抗風(fēng)浪能力、大產(chǎn)量的油氣

3、水生產(chǎn)處理能力和大量的油氣水生產(chǎn)處理能力和大的原油儲(chǔ)存能力。的原油儲(chǔ)存能力。從左到右依次是導(dǎo)管架式平臺(tái)，自升式平臺(tái)，半潛式平臺(tái)，鉆井船，張力腿平臺(tái)。國(guó)內(nèi)典型起重鋪管船裝備藍(lán)疆號(hào) 3800t國(guó)內(nèi)典型起重鋪管船裝備華天龍 4000t國(guó)內(nèi)典型起重鋪管船裝備海洋石油202號(hào)我國(guó)首艘自主研制的起重鋪管船淺水1200t國(guó)內(nèi)典型起重鋪管船裝備凱撒我國(guó)首艘超深水海洋鋪管船鋪管方式 S-Lay J-Lay Reel-Lay S-Lay S形鋪設(shè)方法：適用于淺近海（10-450m）、深水區(qū)的小管徑管線的鋪設(shè)。管道在下海過(guò)程中呈S形變形曲線。 J-Lay J形鋪設(shè)方法：適用于深海（1500m）大管徑管線的鋪設(shè)。需要

4、J式托管架，托管架上必須有張緊器。 Reel-Lay 卷盤式鋪設(shè)方法：適用于深水區(qū)的小管徑管線的鋪設(shè)。 載荷條件 壓力; 溫度; 海浪; 海流; 海床; 風(fēng); 冰; 地震活動(dòng); 平臺(tái)移動(dòng); 水深； 支座沉降; 意外荷載； 捕魚; 海洋生物生長(zhǎng)。有關(guān)海底管道的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范 SY/T4804-92 海底管道系統(tǒng)規(guī)范 Recommended Practice DNV-RP-F107 Risk assessment of pipeline protection March 2001 Recommended Practice DNV-RP-F101 Corroded pipeline protecti

5、on 1999 Recommended Practice DNV-RP-F107 Risk assessment of pipeline protection March 2001 RP E305 On-bottom stability design of submarine pipeline October 1998 Recommended Practice RP-B401 Cathodic Protection Design 1993 RP-F106 Factory applied external pipeline coatings for corrosion control 海底管道的

6、結(jié)構(gòu)分析指南中國(guó)船級(jí)社 NACE Standard Recommended Practice RP0492-92 Metallurgical and Inspection Requirements for Offshore Pipeline Btaceled Anodes. DNV Offshore Standard DNV-OS-F101,Submarine Pipeline System, 2000 DNV Rule for Submarine Pipeline System 1996. Guide for building and classing subsea pipeline sys

7、tems and risers, ABS PR Guide,2001 API RP 1111, 3th,1999 Design,construction,operation, and maintenance of offshore hydrocarbon pipelines (limit state design) DNV-RP-F105, 2006 FREE SPANNING PIPELINES Subsea Pipelines And Risers, Yong Bai and Iang Bai, Elsevier Science Ltd. 單層管 雙層管（管中管） 管束 立管海管的結(jié)構(gòu)形式

8、管中管，管束HPDE Jacket, Insulation, Inner pipeBundleFlexible Riser (CSO)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的難題 高溫高壓管道 （屈曲） 深海立管設(shè)計(jì) （動(dòng)力與疲勞）。高溫管道的變形特點(diǎn)屈曲漂移高溫管道的設(shè)計(jì)對(duì)策 增加管道橫向或縱向的約束力，如加大埋深，外包混凝土層以增加管道配重和摩擦力，在管道上方堆積石塊； 蛇形或水平面內(nèi)的之字形敷設(shè)，或采用熱補(bǔ)償器； 采用管中管或者集束管以增加側(cè)向/豎向約束力和抗彎剛度； 安裝時(shí)通過(guò)牽引或者用熱介質(zhì)在管道中預(yù)拉力； 以上兩種或多種方法的結(jié)合。 3-1 波浪、海流對(duì)管道的作用 波浪的各種參數(shù)定義 根據(jù)水深的不同將管道劃分

9、為三個(gè)區(qū)段 深水區(qū)段：在這區(qū)段的海底（地形、地質(zhì)等）實(shí)際上不再影響波浪的形狀和尺度。 過(guò)渡區(qū)段：在此區(qū)段內(nèi)波浪由深水波向淺水波過(guò)渡，深水的三向波在海底水深等因素的影響下向兩向波過(guò)渡，有時(shí)波浪出現(xiàn)破碎。 淺水區(qū)段：在這區(qū)段內(nèi)波浪在水深、地形的影響下變化劇烈，波浪向岸邊推進(jìn)時(shí)，出現(xiàn)多次破波，而達(dá)到最終破碎，并在岸坡附近形成上爬的擊岸水流。 波浪理論的選擇 斯托克斯波 二階波 三階波 四階波 五階波（用來(lái)描述大振幅的振蕩波的性質(zhì)） 橢圓余弦波（用來(lái)描述長(zhǎng)的、有限振幅的波在淺水中的傳播） 線性波（用來(lái)描述小振幅的振蕩波的性質(zhì)）海流 海流，是指由不同原因所產(chǎn)生的各種類型的海水合成流動(dòng)。 海流是一綜合流，

10、近岸海流一般以潮流和風(fēng)海流為主。在某些位置和某種情況下，其它類型的海流也可能相當(dāng)顯著，如由于波浪破碎產(chǎn)生的順岸流和離岸流等。 對(duì)于海流（主要對(duì)潮流）的測(cè)量，要選擇有代表性的時(shí)間、季節(jié)、點(diǎn)位，測(cè)定海流的流速、流向，并需測(cè)定沿垂直分布的流速、流向和隨時(shí)間的變化過(guò)程，必要時(shí)要進(jìn)行“流路”測(cè)量。 動(dòng)水作用力 海水對(duì)海底管線的作用力：Morison公式 垂直力（升力） 水平力 速度力（阻力） 慣性力221eDDDUCFdtdUDCFmI4/2221eLLDUCF速度和加速度由波浪和海流復(fù)合作用引起。 3-2 海底管道的穩(wěn)定性與設(shè)計(jì) 1、海底管道的穩(wěn)定性條件 作用力： 動(dòng)水作用力 管道總重量 浮力 摩擦力

11、作用力的計(jì)算管道總重量 鋼管重量 內(nèi)、外防腐絕緣層的重量 混凝土防護(hù)加重層的重量 介質(zhì)的重量 PW0WWWWWCSCSPPSPWSCWCW0W浮力wPDB204摩擦力NRf海床上保持穩(wěn)定的管道須滿足的方程 即:LVPPBPFKBWN0NFBWLPPDIfFFNRDILPPFFFBW令:LDIHBPFFFKN KV、KH管道豎向和水平方向的穩(wěn)定性系數(shù)，一般取KV=1.051.10；KH1.101.15。 BPN負(fù)浮力以上為海底管道穩(wěn)定性的靜態(tài)分析。不足：對(duì)波浪-管道-土壤的聯(lián)合作用分析不夠，僅 僅用一個(gè)簡(jiǎn)單的摩擦系數(shù)來(lái)描述管土相互作用。發(fā)展：動(dòng)態(tài)法、半動(dòng)態(tài)法 動(dòng)態(tài)法 基本原理：波浪作為周期性動(dòng)力

12、荷載作用在管道上。 管道在波浪荷載的作用下，在海床上發(fā)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 基本步驟： (1)根據(jù)給定的波浪條件模擬出波浪譜; (2)用波浪譜計(jì)算出力譜; (3)用力譜結(jié)合土壤類型計(jì)算出管道的動(dòng)力響應(yīng)。 缺點(diǎn)：沿管道路由取得足夠精確的環(huán)境和工程地質(zhì)數(shù)據(jù)極為困難，有時(shí)甚至是不可能的。半動(dòng)態(tài)法 將動(dòng)態(tài)分析中次要的因素忽略 目前，國(guó)際上流行2種方法:一種是以DnVRPE305為基礎(chǔ)的分析方法;另一種是按照美國(guó)天然氣協(xié)會(huì)開發(fā)的穩(wěn)定性計(jì)算機(jī)程序中LEVEL2進(jìn)行的分析方法。2、保持海底管道的穩(wěn)定性的措施 穩(wěn)定性設(shè)計(jì) 增加管道配重 加大鋼管的壁厚不經(jīng)濟(jì) 加重混凝土涂層的重量增大浮力 穩(wěn)定壓塊 埋設(shè)盡可能埋置于海底

13、面以下 機(jī)械錨固 遇有巖礁或堅(jiān)硬土層，可利用 錨桿將管道與巖盤基礎(chǔ)錨固在一起 穩(wěn)定壓塊的設(shè)計(jì)與計(jì)算 當(dāng)穩(wěn)定壓塊在管道上連續(xù)蓋壓時(shí)，它的重量（單位長(zhǎng)管道上的壓塊水下重量）可為 01VLBPIDHLBPK FNQFFKFN 取二者之最大值 當(dāng)穩(wěn)定壓塊間隔地蓋壓在管道上02VLV CLBPIDIDHLH CL CBPK lFK l FNlQFFFFK lF lK lF lNl取二者之最大值 鉸鏈?zhǔn)椒€(wěn)定壓塊 鉸鏈?zhǔn)椒€(wěn)定壓塊，它能比較容易地在管子上保持其自身穩(wěn)定的位置，安裝時(shí)水下可以張開，安裝比較容易。但加工制作和壓塊組裝困難，成本比較高，因而使用較少。 穩(wěn)定壓塊型式馬鞍形穩(wěn)定壓塊 各種馬鞍形穩(wěn)定壓塊，根據(jù)斷面形狀不同有如下幾種：例如，矩形、梯形，拱形等等。 坡側(cè)方向的阻力小，穩(wěn)定